數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò):機(jī)遇與挑戰(zhàn)*

郭新明，林德鈺，陳 偉

(1.咸陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.南昌大學(xué)軟件學(xué)院，江西 南昌 330047)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是一種由數(shù)量巨大、價(jià)格低廉、體積微小的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)密切配合完成復(fù)雜任務(wù)的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。 WSNs 具有部署簡(jiǎn)單、成本低廉等諸多優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、軍事監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、瀕危物種監(jiān)護(hù)以及災(zāi)后安全救援等領(lǐng)域[1-2]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用普及意義至關(guān)重要。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。 2020 年全球新冠肺炎爆發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)因其免接觸式智慧診斷功能在世界范圍內(nèi)獲得了更多的關(guān)注[3]。 隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模正進(jìn)一步擴(kuò)大。 據(jù)愛(ài)立信公司預(yù)測(cè)，到2023 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將有望超過(guò)200 億臺(tái)[4]。 因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模將隨之進(jìn)一步擴(kuò)大。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署在一定程度上導(dǎo)致了全球能量消耗的上升，由此引發(fā)了嚴(yán)重的二氧化碳排放問(wèn)題。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，由信息通信技術(shù)(Information Communication Technology，ICT)產(chǎn)生的二氧化碳排放目前已占到全球排放總量的5%，其中50%是由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的[5-6]。 為緩解能源日益枯竭問(wèn)題與保護(hù)生態(tài)環(huán)境，低碳經(jīng)濟(jì)已成為世界各國(guó)的普遍共識(shí)，也是我國(guó)新時(shí)代發(fā)展的基本戰(zhàn)略抉擇[7]。 2021 年全國(guó)兩會(huì)，“碳中和”首次被寫(xiě)進(jìn)國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告[8]。 因此，對(duì)WSNs 數(shù)據(jù)感知與傳輸?shù)牡湍芎囊蟛坏c我國(guó)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式高度契合，更迎合了當(dāng)前學(xué)術(shù)界綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)[9]。 此外，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)自身存在能量受限的缺陷。 例如，采用一節(jié)AA 電池供能的傳感器節(jié)點(diǎn)只能連續(xù)工作4 天[5，10]。 同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通常以密集鋪設(shè)的方式大規(guī)模部署于惡劣甚至人跡罕至的環(huán)境中，進(jìn)一步增加了其能量補(bǔ)給的難度。當(dāng)能量耗盡的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定比例時(shí)，將出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。 網(wǎng)絡(luò)分區(qū)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)感知與傳輸，導(dǎo)致其上層應(yīng)用無(wú)法獲得足夠的有效數(shù)據(jù)。 因此，如何實(shí)現(xiàn)WSNs 能量自治是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛普及亟待解決的重大難題之一。 近年來(lái)，出現(xiàn)了大量的致力于提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率的相關(guān)研究，并取得了較為顯著的研究成果。 科學(xué)地對(duì)這些研究與成果進(jìn)行綜述對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)理論發(fā)展及其技術(shù)進(jìn)步意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治的相關(guān)研究成果進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述。例如，Aziz 等[11]對(duì)基于拓?fù)淇刂?Topology Control，TC)的網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)綜述。給出了拓?fù)淇刂频娜露x，在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)存的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)進(jìn)行了歸類(lèi)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和潛在的研究方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 然而，該綜述的局限性在于其關(guān)于拓?fù)淇刂频姆诸?lèi)界限不夠明晰。 例如，其中有些拓?fù)淇刂萍夹g(shù)實(shí)際上隸屬于分簇機(jī)制[12]。 Han 等[13]對(duì)于媒體接入控制技術(shù)(Media Access Control，MAC)進(jìn)行了跟蹤與詳細(xì)論述。 具體地說(shuō)，作者把2002 年到2011 年之間出現(xiàn)的所有MAC 協(xié)議分成同步MAC 協(xié)議、異步MAC 協(xié)議、基于幀的MAC 協(xié)議以及多信道MAC 協(xié)議。 然而，作者主要關(guān)注于通用MAC 協(xié)議，而非致力于能量自治的節(jié)能MAC 協(xié)議。 此外，也沒(méi)有關(guān)于提高能量效率技術(shù)的系統(tǒng)分析與闡述。 Gu 等[14]對(duì)基于移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)的節(jié)能機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)。 作者將相關(guān)研究分為不受控的移動(dòng)模型、路徑受限移動(dòng)機(jī)制、位置受限移動(dòng)機(jī)制以及空間不受限的移動(dòng)機(jī)制四類(lèi)技術(shù)，隨后對(duì)這四類(lèi)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 然而，作者的關(guān)注點(diǎn)只在于基于移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)。 事實(shí)上，除了基于移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)，還包括基于移動(dòng)Relay 的節(jié)能機(jī)制。 Younis 等[15]分析了現(xiàn)存的分簇技術(shù)并對(duì)他們面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳盡分析。 然而，他們只追蹤了2006 年以前提出的分簇策略。 Pantazis 等[16]對(duì)現(xiàn)存的節(jié)能路由技術(shù)進(jìn)行了綜述，將2013 年之前出現(xiàn)的節(jié)能路由技術(shù)分成基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)、基于通信模型的技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募夹g(shù)以及可靠節(jié)能路由技術(shù)四類(lèi)。 然而，作者只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)節(jié)能技術(shù)，事實(shí)上還存在跨層節(jié)能路由技術(shù)。 Yetgin 等[17]對(duì)現(xiàn)存的關(guān)于如何延長(zhǎng)WSNs 生命期的節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)原則及其存在的缺陷進(jìn)行了詳盡的分析。 相關(guān)的節(jié)能技術(shù)被劃分為基于跨層設(shè)計(jì)的資源分配方案、機(jī)會(huì)傳輸方案/休眠-喚醒調(diào)度、路由/分簇算法、移動(dòng)Sink/Relay 技術(shù)、覆蓋率與連通性/優(yōu)化部署、數(shù)據(jù)采集/網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)據(jù)相關(guān)分析、能量采集技術(shù)以及波束成形技術(shù)。 盡管該綜述對(duì)于WSNs 能量自治技術(shù)具有較廣的涵蓋面，卻忽視了近年來(lái)出現(xiàn)的基于壓縮感知的節(jié)能技術(shù)，且沒(méi)有考慮具備能量采集功能的WSNs。 此外，本文作者對(duì)2002 年至2019 年出現(xiàn)的WSNs 能量自治技術(shù)做了一個(gè)較為詳盡的綜述，并將相關(guān)技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、節(jié)能層次以及節(jié)能視角分別進(jìn)行了詳細(xì)介紹[18]。 然而，該綜述只關(guān)注了傳統(tǒng)靜態(tài)WSNs 的節(jié)能技術(shù)。 除了上述所列舉的綜述之外，還包括其他一些對(duì)現(xiàn)存WSNs 能量自治技術(shù)的相關(guān)綜述，這些綜述對(duì)傳統(tǒng)的靜態(tài)WSNs 能效問(wèn)題進(jìn)行了分析[19-21]。 然而，他們都未能對(duì)具備能量采集技術(shù)的WSNs 以及結(jié)合數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的WSNs 進(jìn)行介紹，也未能就WSNs 能量自治技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。

針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治問(wèn)題，本文對(duì)2002—2022 年以來(lái)出現(xiàn)的與其相關(guān)的主要技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)綜述。 按照是否其具備自供能功能及其能量來(lái)源，分為被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、可再生能源收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三類(lèi)。 隨后，基于數(shù)能一體化傳輸技術(shù)提出了數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念模型。 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系對(duì)該概念模型進(jìn)行了詳盡的分析與論述，并指出了其存在的機(jī)遇與面臨的挑戰(zhàn)。 最后，對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合其面臨的挑戰(zhàn)指明了未來(lái)可行的研究方向。

1 現(xiàn)存能量自治技術(shù)綜述

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各科研院所及專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了不懈的探索與努力，并取得了重要的科研成果。 本節(jié)按照傳感器節(jié)點(diǎn)能否進(jìn)行后續(xù)供能及其能量來(lái)源，將現(xiàn)存的能量自治技術(shù)分為被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、可再生能量收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三大類(lèi)。

1.1 被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)基于如下事實(shí):所有無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)一經(jīng)鋪設(shè)便無(wú)法更換電池，亦無(wú)法以傳統(tǒng)充電的方式獲得能量補(bǔ)給。 根據(jù)本文作者及其他學(xué)者關(guān)于最大化WSNs 網(wǎng)絡(luò)生命期的相關(guān)研究，被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)主要通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)能量效率的方式來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。 考慮到通信開(kāi)銷(xiāo)是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要能耗以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在固有的“熱點(diǎn)問(wèn)題”，被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)主要通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)通信能耗與均衡網(wǎng)絡(luò)全局能耗的方式提高網(wǎng)絡(luò)能量效率，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期[10]。

根據(jù)節(jié)能所聚焦的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧層次、節(jié)能級(jí)別以及節(jié)能視角，被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)可分為不同的類(lèi)別[10]。 具體地說(shuō)，近年來(lái)出現(xiàn)的相關(guān)研究成果主要可分為節(jié)能媒介接入控制(Energy-Efficient Media Access Control，EEMAC)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助節(jié)能機(jī)制(Mobile Node Assistance Scheme，MNAS)、節(jié)能分簇機(jī)制(Energy-Efficient Clustering Scheme，EECS)、節(jié)能路由機(jī)制( Energy-Efficient Routing Scheme，EERS)以及基于壓縮感知的節(jié)能機(jī)制(Compress Sensing based Scheme，CSS)[10]。 其中，EEMAC 聚焦于控制媒體接入以降低碰撞、過(guò)聽(tīng)、空閑偵聽(tīng)以及控制開(kāi)銷(xiāo)所導(dǎo)致的能量消耗[22]。 一般來(lái)說(shuō)，按照媒體接入方式可分為隨機(jī)接入MAC 協(xié)議、時(shí)隙接入MAC 協(xié)議，幀接入MAC 協(xié)議以及混合方式接入MAC 協(xié)議，典型代表包括S-MAC[23]、WiseMAC[24]、BEST-MAC[25]、E-BMA[26]等。 MNAS 則主要通過(guò)移動(dòng)Sink 節(jié)點(diǎn)或者移動(dòng)Relay 的方式，在降低節(jié)點(diǎn)通信能耗的同時(shí)，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，主要包括CSPLI[27]、DT-MSM[28]、MRSC[29]等。 EECS 以邏輯方式將網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的分簇，從而形成具有層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?每個(gè)分簇包括簇頭節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)兩種不同角色，成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)采集，簇頭節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)將成員節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理并轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)。 一般而言，簇頭節(jié)點(diǎn)采用“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”的路由模式以進(jìn)一步降低通信能耗，同時(shí)通過(guò)周期性的簇頭輪換機(jī)制均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。 其最早的研究成果為L(zhǎng)EACH[30]，通過(guò)控制不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的能耗分布來(lái)提高能量效率，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。 類(lèi)似的成果還包括TEEN[31]、DHAC[32]、DISD[33]等。 同時(shí)，可避免最優(yōu)路徑的相關(guān)節(jié)點(diǎn)能量率先耗盡，相關(guān)研究主要包括GEEC[34]、SELAR[35]、EIRNG[36]等。 CSS 則主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的數(shù)據(jù)相關(guān)性，通過(guò)降低數(shù)據(jù)采集頻率從數(shù)據(jù)源處減少網(wǎng)絡(luò)的采集能耗與通信能耗[37]。 此外，基于壓縮感知的節(jié)能技術(shù)也可和分簇機(jī)制相結(jié)合，從而進(jìn)一步提高能量效率。 一般來(lái)說(shuō)，CSS 機(jī)制主要包括平面型壓縮感知機(jī)制、混合型壓縮感知機(jī)制以及與分簇技術(shù)相結(jié)合的壓縮感知機(jī)制，如CDG[38]、EECSR[39]、SWECE[40]等。

盡管這類(lèi)研究可在一定程度上延長(zhǎng)WSNs 網(wǎng)絡(luò)生命期，然而傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法主動(dòng)獲得能量補(bǔ)充。因此，無(wú)法避免網(wǎng)絡(luò)生命期的終結(jié)。 顯然這種技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)真正意義上的能量自治。

1.2 可再生能量收割技術(shù)

近年來(lái)， 可再生能量收割技術(shù)( Energy Harvesting，EH)的出現(xiàn)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治提供了一種行之有效的解決方案[41]。 具體地說(shuō)，EH 技術(shù)主要采集廣泛存在于自然界中的可再生能量，如太陽(yáng)能、熱能、電磁能、機(jī)械能等[42]。

EH 技術(shù)有效地緩解了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)因能量受限問(wèn)題所帶來(lái)的壓力，使WSNs 可在優(yōu)先考慮能量補(bǔ)給的同時(shí)兼顧一定的網(wǎng)絡(luò)性能要求。 因此，現(xiàn)存的相關(guān)研究主要聚焦于如何在保證能量中立操作(Energy-Neutral Operation，ENO)的前提下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)，如提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等[43-44]。 能量中立操作如圖1 所示。 所謂能量中立操作，是指通過(guò)控制傳感器節(jié)點(diǎn)行為保持能量收支平衡，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量自治[45]。 具體來(lái)說(shuō)，相關(guān)研究主要包括動(dòng)態(tài)能量管理[46]、自適應(yīng)占空比調(diào)度以及能量預(yù)測(cè)機(jī)制等[47]。

圖1 能量中立操作(ENO)

動(dòng)態(tài)能量管理通過(guò)感知節(jié)點(diǎn)自身剩余能量與可再生能量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，有效地進(jìn)行節(jié)點(diǎn)工作模式與傳輸功率控制，保證各節(jié)點(diǎn)能量中立，并盡可能提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，相關(guān)研究主要包括Fuzzyman[48]、WC-EWMA[49]、MTPP[50]、P＆O MPPT[51]、WVR-PM[52]、ECAS[53]以及EWMA[54]等。自適應(yīng)占空比調(diào)度機(jī)制則依據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量或者能量采集速率自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)占空比，在保證能量中立的前提下盡可能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。 相關(guān)研究主要包括ODMAC[55]、DSP[56]、DeepSleep[57]及SHR-TDMA[58]等。 能量預(yù)測(cè)機(jī)制首先預(yù)判未來(lái)能量采集速率或者可采集能量密度，在此基礎(chǔ)上有效控制節(jié)點(diǎn)的相關(guān)行為，從而保證節(jié)點(diǎn)能量中立。 相關(guān)研究主要包括QLSEP[59]、Pro-Energy-VLT[60]以及PCOR[61]等。

可再生能量收割技術(shù)可有效地緩解傳感器節(jié)點(diǎn)能量不足的壓力，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一定程度的能量自治。 然而，可再生能量也存在供能不穩(wěn)定、容易受時(shí)空影響等缺陷，因此，可再生能量收割技術(shù)無(wú)法為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問(wèn)題提供終極解決方案。

1.3 數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)

與不穩(wěn)定、易受時(shí)空影響的可再生能量相比，近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)(Wireless Power Transmission，WPT)是一種更加可行的供能手段。2008 年，Varshney 首度提出了可實(shí)現(xiàn)信息與能量同步傳輸?shù)臄?shù)能一體化傳輸技術(shù)(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)[62]。SWIPT 技術(shù)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問(wèn)題提供了一種潛在的終極解決方案。 與可再生能量收割技術(shù)相比，SWIPT 技術(shù)可提供更穩(wěn)定、更可控以及可預(yù)測(cè)的能量來(lái)源。

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)利用能量采集和信息解碼過(guò)程對(duì)功率敏感度不同的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同步能量采集與信息解碼[63]。 圖2 所示為具備數(shù)能一體化傳輸功能的傳感器接收單元結(jié)構(gòu)以及四種不同的數(shù)能收集模式示意圖。 為方便起見(jiàn)，以下將具備數(shù)能一體化傳輸功能的傳感器節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為數(shù)能一體化傳感器節(jié)點(diǎn)。 顯然，由圖2(a)所示可知，與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)相比，數(shù)能一體化傳感器節(jié)點(diǎn)須配備一個(gè)數(shù)能分割單元以及能量收割單元。 通過(guò)合理地分配數(shù)能比，可保證節(jié)點(diǎn)在獲取有效信息的同時(shí)收獲多余的能量。 圖2(b)所示為四種不同的數(shù)能收集模式。由圖可知，現(xiàn)存的數(shù)能收集模式包括功率分割、時(shí)間切換、空間切換以及天線(xiàn)切換[64]。

圖2 數(shù)能一體化傳感器節(jié)點(diǎn)接收器結(jié)構(gòu)及數(shù)能收集模式示意圖

目前，大多數(shù)研究主要聚焦于如何實(shí)現(xiàn)最佳功率分割比決策、最佳時(shí)間切換分配比以及接收器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等[65]。 一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)將功率分割比或時(shí)間切換調(diào)度問(wèn)題建模為以數(shù)據(jù)傳輸速率為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問(wèn)題，最終將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題來(lái)獲得最優(yōu)分割比[66]。 另外，也包括針對(duì)具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌淖顑?yōu)無(wú)線(xiàn)能量傳輸決策，如多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的兩段鏈路傳輸場(chǎng)景、基于樹(shù)形拓?fù)涞母吣苄?shù)據(jù)傳輸模型等，相關(guān)研究主要包括MOEA/D-NCS[67]、CSS[68]、EU-OCA[69]、MPSS[70]以及CoMP[71]等。 當(dāng)然也存在針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的相關(guān)研究，例如綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[72]、應(yīng)用于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的ResAll 算法等[73]。 一般來(lái)說(shuō)，這些研究主要針對(duì)具體應(yīng)用需求，在同步考慮能量自治的前提下盡可能兼顧相關(guān)的QoS 需求，類(lèi)似研究還包括合作網(wǎng)絡(luò)[74]以及中繼轉(zhuǎn)發(fā)等[75]。

綜上可知，現(xiàn)存的數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)的相關(guān)研究大多數(shù)致力于底層功率分割單元及時(shí)間切換單元設(shè)計(jì)、最優(yōu)功率分割比及最優(yōu)時(shí)間切換比決策；或著眼于底層通信技術(shù)，如結(jié)合MIMO 技術(shù)、OFDM 技術(shù)；或針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景等[72]。 然而，將數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)與大規(guī)模部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的相關(guān)研究相對(duì)較少。 現(xiàn)存研究只是簡(jiǎn)單地與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇策略相結(jié)合，因而缺乏普適性[76]。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，基于數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)目前已經(jīng)相對(duì)成熟[77]。 因此，將數(shù)能一體化傳輸技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，不僅可以解決WSNs 能量不足問(wèn)題，也可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

現(xiàn)存能量自治技術(shù)的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)情況如表1 所示。

表1 現(xiàn)有能量自治技術(shù)分類(lèi)匯總表

2 數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 概述

基于上述分析，本文提出如圖3 所示的數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概念圖。 由圖可知，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要從MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及能量管理層面三個(gè)不同維度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 具體地說(shuō)，在MAC 層，動(dòng)態(tài)感知實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)，控制媒體接入模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)級(jí)能量自治。 顯然，通過(guò)有效的媒體接入控制機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)接入控制能耗，并將節(jié)點(diǎn)因過(guò)聽(tīng)、碰撞等產(chǎn)生的能耗轉(zhuǎn)化成一部分能量來(lái)源。 通過(guò)這種方式，可有效地提高節(jié)點(diǎn)的數(shù)能效率。 在網(wǎng)絡(luò)層，則主要依據(jù)數(shù)能效率進(jìn)行自適應(yīng)路由決策，有效地規(guī)范網(wǎng)絡(luò)中的信息流和能量流，從而實(shí)現(xiàn)路由級(jí)能量自治。 同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)能量自治，需要周期性的外界能量補(bǔ)給。 為此，在能量管理層面采用數(shù)能分布自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給機(jī)制。

圖3 數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概念圖

如圖3 所示，對(duì)于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)而言，在數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 機(jī)制的控制下，可在短期內(nèi)保持能量自治。

假設(shè)當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)為sni，其數(shù)能狀態(tài)為Cond(γsni，ηsni)，基于無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)哪芰坎杉β蕿镻snih，能量消耗功率記為Psnic。 則在本文提出的MAC 機(jī)制中，需滿(mǎn)足如下條件:

式中:Mode(sni)表示節(jié)點(diǎn)sni選定的工作模式，t表示有限的一小段時(shí)間。 限制條件(1).C 表明:通過(guò)感知當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)能狀態(tài)，控制節(jié)點(diǎn)的媒體接入方式，最終可以保證節(jié)點(diǎn)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量自治。 現(xiàn)考慮傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由決策時(shí)，如何確保沿路由節(jié)點(diǎn)能量自治。 設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為sni的可行下一跳節(jié)點(diǎn)集為Setsnifn，其數(shù)能效率為E(γsni，ηsni)。 在數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其路由決策過(guò)程可表示如下:

式中，snj是節(jié)點(diǎn)sni經(jīng)過(guò)路由決策Drou(E(γsni，ηsni)，E(γsnj，ηsnj))選定的下一跳節(jié)點(diǎn)，trou表示路由有效持續(xù)時(shí)間，即從路由構(gòu)建完畢到路由更新這段時(shí)間。 式(2)表明:節(jié)點(diǎn)在路由決策時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)及其可行下一跳節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)能狀態(tài)，選擇出可在路由時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足能量自治的節(jié)點(diǎn)作為其下一跳。假設(shè)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)記為S，則由節(jié)點(diǎn)S到Sink 節(jié)點(diǎn)的路由RouS→Sink可表示如下:

式中:link(sni)為從節(jié)點(diǎn)sni到其下一跳節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的鏈路，SN 表示傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合。 由式(3)可知，在當(dāng)前路由決策下，從節(jié)點(diǎn)S到Sink 節(jié)點(diǎn)之間的路由上各節(jié)點(diǎn)可在時(shí)間trou內(nèi)保持能量自治。 由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量須用于數(shù)據(jù)采集和傳輸，在沒(méi)有外界補(bǔ)充能量的情況下終究消耗殆盡。 為此，網(wǎng)絡(luò)中存在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲兄芷谛砸苿?dòng)給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械哪芰康屯輩^(qū)域補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械哪芰垦a(bǔ)給點(diǎn)固定，且構(gòu)成集合Setnp，能量補(bǔ)給點(diǎn)記為np，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站在能量補(bǔ)給點(diǎn)的逗留時(shí)間記為τnp，則無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站的能量補(bǔ)給決策問(wèn)題可表示如下:

式中，l表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械哪芰垦a(bǔ)給點(diǎn)數(shù)量，xnpi是二值變量，表示無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站是否在對(duì)應(yīng)的能量補(bǔ)給點(diǎn)npi停留進(jìn)行能量補(bǔ)充。 由式(4)可知，在當(dāng)前的供能策略下，可保證網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。

2.2 詳細(xì)討論

數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，媒體接入控制機(jī)制將對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)能狀態(tài)產(chǎn)生一定影響。 為此，在設(shè)計(jì)數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議時(shí)，應(yīng)動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)。 圖4 所示為數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議概念圖。 由圖可知，它屬于混合型MAC 協(xié)議，主要根據(jù)相關(guān)參與節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)選擇媒體接入模式。 具體地說(shuō)，在數(shù)能狀態(tài)Cond(γ1，η1)下，采取TDMA 方式接入媒體；而在數(shù)能狀態(tài)Cond(γ2，η2)下，則采取CSMA/CA 方式接入媒體。 一般地說(shuō)，數(shù)能狀態(tài)臨界值Cond(γ1，η1)與Cond(γ2，η2)的確定取決于具體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。

圖4 數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議概念圖

在數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議中，媒體接入控制問(wèn)題在本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)決策問(wèn)題。 為動(dòng)態(tài)感知傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)，須根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率、當(dāng)前剩余能量以及當(dāng)前潛在內(nèi)外的能量來(lái)源等因素來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)預(yù)估。 可采用模糊數(shù)學(xué)邏輯原理構(gòu)建數(shù)能狀態(tài)自感知媒體接入控制規(guī)則庫(kù)，以降低數(shù)能狀態(tài)預(yù)估及媒體接入控制開(kāi)銷(xiāo)。 模糊邏輯常被用于表達(dá)界限不清晰的定性知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，模擬人腦實(shí)施規(guī)則型推理過(guò)程，解決因“排中律”的邏輯破缺而導(dǎo)致的種種不確定問(wèn)題。 因此，其適用于數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 機(jī)制設(shè)計(jì)。

為適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枨?，ESWIPSN 往往采取“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”的數(shù)據(jù)傳輸模式。 路由協(xié)議則是實(shí)現(xiàn)“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”的關(guān)鍵。 路由協(xié)議決定數(shù)據(jù)傳輸路徑，因而將影響沿路由各節(jié)點(diǎn)的能量消耗。 同時(shí)，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)能一體化傳輸模式也將對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率產(chǎn)生重要影響。 因此，在數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，沿路由節(jié)點(diǎn)的能量效率與其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率是相互影響的。 為滿(mǎn)足路由轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中參與節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸效率要求同時(shí)保證各節(jié)點(diǎn)能量自治，須實(shí)現(xiàn)數(shù)能效率自適應(yīng)路由決策。

圖5 所示為數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)能效率自適應(yīng)路由決策概念圖。 由圖可知，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以數(shù)據(jù)傳輸效率與能量效率的函數(shù)值為路由度量值進(jìn)行路由決策，未被選為下一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)則可同時(shí)進(jìn)行能量收割。 路由構(gòu)建完畢之后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中同時(shí)伴隨著部分能量傳輸，最終可促使周?chē)?jié)點(diǎn)能量趨向于均衡。 具體地說(shuō)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后，可提高選定路由上各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)亦能使剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)及時(shí)獲得一定程度的能量補(bǔ)充。

圖5 數(shù)能效率自適應(yīng)路由決策概念圖

在數(shù)能效率自適應(yīng)路由決策過(guò)程中，關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)各相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的路由決策與轉(zhuǎn)發(fā)決策行為之間的關(guān)系。 然而，出于保護(hù)自身資源或其他因素的考量，節(jié)點(diǎn)難免因自私性而影響其決策行為。有效地規(guī)范各相關(guān)節(jié)點(diǎn)的決策行為，可避免節(jié)點(diǎn)自私性對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)能效率帶來(lái)的負(fù)面影響。 事實(shí)上，傳感器節(jié)點(diǎn)的路由決策行為在本質(zhì)上是一個(gè)非合作博弈問(wèn)題。 博弈論是研究博弈參與各方爭(zhēng)斗行為集合中是否存在最合理的行為方案以及如何找到這個(gè)合理行為方案的數(shù)學(xué)理論和方法[78]。 能效自適應(yīng)路由決策問(wèn)題正是通過(guò)構(gòu)造合適的效益函數(shù)來(lái)規(guī)范各傳感器節(jié)點(diǎn)的決策行為，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的合作。 因此，基于博弈理論可有效實(shí)現(xiàn)能效自適應(yīng)路由決策。

盡管數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的引入可以有效提高節(jié)點(diǎn)數(shù)能效率，在沒(méi)有外界能量補(bǔ)充的前提下網(wǎng)絡(luò)能量終將耗盡。 為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，須采用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站為各傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量補(bǔ)充。 此外，為提高能量補(bǔ)給效率，應(yīng)使無(wú)線(xiàn)移動(dòng)補(bǔ)給站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)能實(shí)時(shí)分布狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)能量補(bǔ)給。 為此，本文提出數(shù)能分布自感知無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給機(jī)制概念模型，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 圖6 所示為該機(jī)制概念圖，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站實(shí)時(shí)感知能量密度與數(shù)據(jù)產(chǎn)生率，并提供周期性移動(dòng)式能量補(bǔ)給。 同時(shí)，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站可在空閑時(shí)間通過(guò)獲取太陽(yáng)能進(jìn)行自身的能量補(bǔ)給。

圖6 數(shù)能自感知無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給機(jī)制概念圖

上述數(shù)能分布自感知無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給決策過(guò)程，其本質(zhì)是一個(gè)旅行商問(wèn)題。 具體地說(shuō)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)涞臄?shù)據(jù)產(chǎn)生率、節(jié)點(diǎn)剩余能量分布、節(jié)點(diǎn)能量耗散速率確定無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站的能量補(bǔ)給策略。 最終，通過(guò)求解特定網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布狀態(tài)下的能量補(bǔ)給站路徑規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 一般而言，旅行商問(wèn)題通常在交通運(yùn)輸、電路板線(xiàn)路設(shè)計(jì)以及物流配送等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛應(yīng)用[79]。 數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站供能策略調(diào)度問(wèn)題，在本質(zhì)上等同于一個(gè)物流配送問(wèn)題。 因此，通過(guò)旅行商建?？蓪?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局下數(shù)能分布自感知無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給。

3 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

3.1 機(jī)遇

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的提出在一定程度上為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)提供機(jī)遇。 圖7所示為數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)體系關(guān)系示意圖。 由圖可知，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點(diǎn)主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及能量管理層面。 在物理層，通過(guò)設(shè)計(jì)具備數(shù)能一體化傳輸功能的接收器單元，使傳感器節(jié)點(diǎn)可以充分利用RF 信號(hào)中的剩余能量，并采集周?chē)h(huán)境存在的其他射頻信號(hào)中的能量。 在鏈路層，可通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)工作模式，從過(guò)聽(tīng)和干擾信號(hào)中獲得能量補(bǔ)充，從而有效地提高節(jié)點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)的能量效率。 在網(wǎng)絡(luò)層，可以通過(guò)設(shè)計(jì)適用于數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，合理地控制網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)的信息流和能量流，使網(wǎng)絡(luò)中的能量從高密度向低密度區(qū)域轉(zhuǎn)移，均衡化網(wǎng)絡(luò)能量分布，從而有效地提高沿路由節(jié)點(diǎn)能量效率。 此外，在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站的支持下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局中的節(jié)點(diǎn)因通信而消耗的能量進(jìn)行補(bǔ)充。 綜上所述，數(shù)能一體化傳輸可給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問(wèn)題帶來(lái)一種全新解決方案。

圖7 數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)體系的關(guān)系

由圖7 可知，現(xiàn)有的物理層相關(guān)技術(shù)可為本文提出的數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一定的技術(shù)支撐。 因此，SWIPT 技術(shù)、DPS 技術(shù)以及分離式接收器結(jié)構(gòu)等技術(shù)使數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)能一體化傳輸成為可能。 與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)相比，數(shù)能一體化傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式除數(shù)據(jù)感知、接收、發(fā)送以及休眠模式之外，還應(yīng)包括能量收割與數(shù)能同傳模式。 目前，國(guó)內(nèi)外科研人員關(guān)于接收器最優(yōu)化功率分割比例、最優(yōu)化時(shí)隙切換比分配以及天線(xiàn)設(shè)計(jì)、編解碼理論等方面的相關(guān)研究已經(jīng)相對(duì)很成熟，均以論文形式發(fā)表在國(guó)際著名會(huì)議及期刊雜志上，如INFOCOM[80]、GLOBECOM[81]、ICC[82]、TOC[83]、TOMC[84]及JSAC[85]等。

3.2 挑戰(zhàn)

3.2.1 新工作模式增加了媒體接入控制復(fù)雜性

與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)相比，數(shù)能一體化無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)新增了能量采集與數(shù)能同傳兩種工作模式。 新增工作模式將對(duì)其媒體接入控制機(jī)制帶來(lái)一定影響。 例如，如何根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前數(shù)能狀態(tài)確定其工作模式及怎樣依據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)與當(dāng)前工作環(huán)境估算媒體接入時(shí)隙大小等。 因此，如何動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)是數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)級(jí)能量自治至關(guān)重要。

3.2.2 路由決策與數(shù)能效率關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜

數(shù)能一體化無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由決策時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸效率與能量效率之間存在不一致甚至相互矛盾之處。 具體地說(shuō)，選取剩余能量最高的鄰居節(jié)點(diǎn)作為其下一跳有利于提高當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；然而，選取距離自身最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳則無(wú)疑更有利于提高能量效率。 但是，能量最高的鄰居節(jié)點(diǎn)往往并不一定是距離其自身最近的節(jié)點(diǎn)。因此，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由決策須兼顧網(wǎng)絡(luò)的數(shù)能效率。 另一方面，路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)行為本身也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流與能量流的動(dòng)態(tài)變化，這在一定程度上反過(guò)來(lái)導(dǎo)致了路由決策的復(fù)雜性。 因此，如何在兼顧數(shù)能效率的前提下進(jìn)行路由決策是數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的重大挑戰(zhàn)之一。

3.2.3 無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給策略調(diào)度復(fù)雜

為確保網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，須部署無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站周期性地在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲幸苿?dòng)。 然而，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站的供能策略與節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(如補(bǔ)給軌跡、補(bǔ)給周期等)，及網(wǎng)絡(luò)全局?jǐn)?shù)能分布等因素之間存在復(fù)雜的相互作用。 一方面，網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)的數(shù)能分布是無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站供能決策的重要依據(jù)；另一方面，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站的供能策略是致使網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布動(dòng)態(tài)變化的重要原因之一。 因此，如何制定無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站供能策略對(duì)于數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治而言是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

3.3 應(yīng)用案例

現(xiàn)以智慧農(nóng)業(yè)為例，簡(jiǎn)單分析數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。 圖8 所示為基于數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)示例[72]。 由圖可知，基于數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)包括管理層面、本地信息中心以及數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。 其中，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)信息采集，將搜集的信息上傳至本地信息中心。 本地信息中心可基于所采集的信息應(yīng)用于智慧農(nóng)場(chǎng)、智慧育種以及智慧溫室等。 同時(shí)，本地信息中心也會(huì)將相關(guān)信息進(jìn)一步上傳至管理層面。 管理層面根據(jù)來(lái)自下層的信息進(jìn)行跨層管理、智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控以及資源優(yōu)化調(diào)度等。

圖8 數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的智能化監(jiān)測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)一般以密集方式鋪設(shè)。 由于傳感器節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)能一體化傳輸功能，所有節(jié)點(diǎn)在鋪設(shè)之后可以實(shí)現(xiàn)能量自治，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，市場(chǎng)前景良好。 一般而言，動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)處于數(shù)能狀態(tài)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)須實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境狀況。 由于其感知能耗較大，導(dǎo)致其數(shù)能狀態(tài)隨時(shí)間變化較快。 因此，如何動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)能狀態(tài)具有一定復(fù)雜性，這使得節(jié)點(diǎn)工作模式控制更為復(fù)雜。 同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的工作模式反過(guò)來(lái)又將影響節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，繼而影響節(jié)點(diǎn)級(jí)能量自治的實(shí)現(xiàn)。 因此，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 機(jī)制設(shè)計(jì)有其復(fù)雜性。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行路由選擇時(shí)，同樣面臨自身及其可行下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)能效率難以判斷的情形。 一般地說(shuō)，這種復(fù)雜性會(huì)隨著傳感器節(jié)點(diǎn)密度的增加而增大。 而對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，傳感器節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)密度普遍較大。 因此，對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域而言，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在路由決策時(shí)面臨亟待解決的難題。 最后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，確保網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，給節(jié)點(diǎn)提供周期性能量補(bǔ)給至關(guān)重要。 然而，傳感器節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境在不斷變化中，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布將隨著環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化而變化。 數(shù)能變化的動(dòng)態(tài)性在一定程度上導(dǎo)致了無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給策略的復(fù)雜性。 因此，在數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布的能量補(bǔ)給面臨一定的挑戰(zhàn)。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)存的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略進(jìn)行了詳細(xì)綜述，按照節(jié)點(diǎn)能否進(jìn)行能量采集以及能量來(lái)源的不同劃分為被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、可再生能量收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三類(lèi)能量自治技術(shù)。 此外，對(duì)三類(lèi)能量自治技術(shù)相關(guān)研究成果進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與分類(lèi)，并在此基礎(chǔ)上提出了數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概念模型。 最后，科學(xué)地分析了數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的機(jī)遇與面臨的挑戰(zhàn)。

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問(wèn)題帶來(lái)了一種行之有效的解決方案。 具體地說(shuō)，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可解決傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)之后無(wú)法繼續(xù)供能的難題，同時(shí)也克服了可再生能源供能技術(shù)存在的能量來(lái)源不穩(wěn)定、受限于時(shí)空因素等缺陷。 盡管如此，應(yīng)用數(shù)能一體化傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治依然存在一定的挑戰(zhàn)。 例如，數(shù)能一體化傳輸模式的引入將給無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)媒體接入控制帶來(lái)一定程度的沖擊。 具體地說(shuō)，由于無(wú)線(xiàn)能量采集模式的引入，傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)因空閑偵聽(tīng)消耗能量的問(wèn)題將不復(fù)存在，且可用于補(bǔ)充能量。 同時(shí)，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的引入也將改變?cè)械臒o(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的路由決策機(jī)制。 在數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信息流與能量流共存的特征使路由選擇變得更趨復(fù)雜。 最后，在采用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)給站給傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)給時(shí)，如何在確保網(wǎng)絡(luò)全局能量自治的同時(shí)降低能量補(bǔ)給成本也是一個(gè)亟待解決的復(fù)雜問(wèn)題。

4.2 展望

當(dāng)下，數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不夠成熟，本文在分析了其發(fā)展機(jī)遇和面臨諸多挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上指出數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)未來(lái)可行的研究方向。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)能一體化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，可分別通過(guò)研究媒體接入控制、路由決策以及無(wú)線(xiàn)能量補(bǔ)給決策來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)能一體化無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治，構(gòu)建“點(diǎn)”、“線(xiàn)”以及“面”多級(jí)維度的能量自治理論體系。 未來(lái)數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中以下三個(gè)方面值得關(guān)注。 ①針對(duì)數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)接入模式的影響，設(shè)計(jì)數(shù)能實(shí)時(shí)狀態(tài)感知模塊，將數(shù)能實(shí)時(shí)狀態(tài)作為接入決策的控制輸入變量，通過(guò)數(shù)能狀態(tài)自感知媒介接入控制實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”級(jí)能量自治。 ②數(shù)能一體化能量自治無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)不同的工作模式將對(duì)數(shù)據(jù)“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”過(guò)程中的數(shù)能效率產(chǎn)生影響。 設(shè)計(jì)關(guān)于能量效率與轉(zhuǎn)發(fā)效率的動(dòng)態(tài)路由更新因子，以控制路由動(dòng)態(tài)更新。 最終，通過(guò)多跳傳輸過(guò)程的數(shù)能效率自適應(yīng)路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“線(xiàn)”級(jí)能量自治。 ③數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議以及路由協(xié)議可在短期內(nèi)保證網(wǎng)絡(luò)局部能量自治。 因而，可引入無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量補(bǔ)站對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。 為此，可基于社會(huì)福利理論，動(dòng)態(tài)規(guī)劃無(wú)線(xiàn)移動(dòng)能量供給站的供能軌跡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“面”級(jí)能量自治。